Определение ударной вязкости

Из динамических испытаний в практике основным и наиболее распространенным является метод испытания на ударный изгиб (ГОСТ 9454-78), при котором закон подобия не действует. Метод основан на том, что образец определенного размера с концентратором (надрезом) доводится до разрушения. Испытания производятся на специальных приборах – маятниковых копрах с изменяющимся запасом энергии до 294 Дж.

Для проведения испытаний образец устанавливают на опорах копра таким образом, чтобы надрез был со стороны, противоположной удару, и находился напротив острия ножа маятника (рис. 1.3,а). Для получения сопоставимых результатов испытания проводятся на стандартных образцах пяти типов с надрезами определенной формы и размеров. В качестве основного рекомендуется образец 1 типа (рис. 1.3,в). Качество исполнения надреза определяет точность испытаний, в связи с этим механическое исполнение концентратора выполняется с точностью и качеством согласно ГОСТ 9454-78. При этом риски в надрезе не должны быть видны невооруженным глазом.

Развитие функциональных возможностей металла, используемого в разнообразном качестве, предопределило использование концентраторов трех типов:

U – радиус дна надреза R = 1 мм; V – R = 0,25 мм и T – с инициированной трещиной.

В общем случае вязкость – это способность материала поглощать работу внешних сил за счет пластической деформации. При этом работа, затраченная на разрушение образца (рис. 1.3,б) определяется как

К = Рg(H – h) = Pgl(cos b – cos a), (1.1)

где Р – масса маятника, кг;

g – ускорение силы тяжести, м/с²;

l – длина маятника, мм;

Н и h – высота подъема маятника до удара и после разрушения образца, мм.

Образец

Нож маятника

Направление удара

в)

Опора

Опора

Рис. 1.3. Определение ударной вязкости: а – расположение образца на опорах;
б – схема испытаний ударной вязкости; в – типы образцов (I-V) для испытаний на ударную вязкость

При испытаниях величины P, H, l и a являются постоянными, поэтому значение работы разрушения К определяют из специальных таблиц по значению b (h).

Зная полную работу деформации и разрушения К, можно рассчитать основную характеристику, полученную в результате таких испытаний – ударную вязкость.

Ударная вязкость обозначается символом КС. Третья буква – вид концентратора.

Ударную вязкость вычисляют по формуле

КС = К/S₀, (1.2)

где К – работа удара, Дж;

S₀ – начальная площадь поперечного сечения образца в месте надреза, м².

Стандартная размерность ударной вязкости Дж/м² (или Дж/см²).

Выбор вида концентратора осуществляется в зависимости от требований к изделию: образцы Шарпи с U-образным надрезом применяются при обычных испытаниях металлов и сплавов; образцы с V-образным концентратором (образца Менаже) являются основными и используются при контроле металлических материалов для конструкций повышенной степени надежности (трубопроводы, транспортные средства, летательные аппараты и т.д.); образцы с Т-надрезом и инициированной трещиной предназначены для испытаний металлов и сплавов, работающих в особо ответственных конструкциях.

Введение ударных испытаний образцов с трещинами является следствием того, что работоспособность материала определяется не столько сопротивлением зарождению трещины, сколько сопротивлением ее распространению.

Для определения вязкости хрупких материалов (инструментальных сталей с твердостью более HRC 50) применяют гладкие образцы.

В некоторых случаях целесообразно определять не только общую работу разрушения при ударном изгибе, но и ее составляющие.

Общая работа разрушения состоит из работы, затрачиваемой на зарождение трещин (КС_з), и работы на ее распространение (КС_р), т.е. КС = КС_з + КС_р.

Для более полной и надежной характеристики металла в условиях динамического нагружения во многих случаях нужно знать величину этих составляющих общей работы разрушения. Такие испытания выполняются по специальным методикам. Определение составляющих ударной вязкости позволяет выявить влияние различных факторов на обе стадии разрушения.

Ударная вязкость зависит от температуры. В связи с этим испытания ударной вязкости широко применяются для оценки склонности металлов и сплавов к хрупкому разрушению в широком интервале температур. Методика испытаний на динамический изгиб при отрицательных температурах регламентирована ГОСТ 9455-78, при высокотемпературных испытаниях – ГОСТ 9454-78. Например, для оценки хладноломкости проводят серийные испытания при понижающихся температурах с использованием таких же образцов, что и при комнатной температуре. По полученным кривым зависимости ударной вязкости от температуры определяют температурный порог хладноломкости, которую характеризуют верхним Т_в и нижним Т_н порогами хладноломкости, т.е. температурами начала и конца перехода из вязкого в хрупкое состояние.

Определение твердости

Твердость материала – сопротивление проникновению в его поверхность стандартного тела – наконечника (индентора), например, шарика, конуса и т.п., недеформирующегося при вдавливании. В то же время твердость – это свойство поверхностного слоя материала сопротивляться упругой и пластической деформации или разрушению при местных контактах воздействия со стороны другого, более твердого и не получающего остаточной деформации тела (индентора). Эта трактовка твердости, как и первая, не всегда применима для всех существующих методов ее оценки, что обусловлено разным физическим смыслом чисел твердости и разнообразием используемых методик. При этом числа твердости могут характеризовать упругие свойства, сопротивление большим и малым пластическим деформациям, сопротивление металлов и сплавов разрушению.

Способы определения твердости делят на статические и динамические – в зависимости от скорости приложения нагрузки, а по способу ее приложения – на методы вдавливания наконечника и царапанием испытуемой поверхности алмазным острием под определенной нагрузкой.

Определяя твердость всеми методами (кроме микротвердости), измеряют суммарное сопротивление материала внедрению в него индентора, усредняющее твердость всех имеющихся структурных составляющих. Общим для всех методов определения твердости является создание местных контактных напряжений, при воздействии стандартного наконечника на испытуемую поверхность. Испытание на прочность получило очень широкое применение благодаря быстроте и простоте, портативности оборудования, а также возможности производить испытания на готовых деталях (изделиях) без их разрушения. В заводской практике нередко осуществляется стопроцентный контроль по твердости многих изделий ответственного назначения. Испытание на твердость – основной метод оценки качества термической обработки изделия.

Наибольшее распространение в практике получили методы Бринелля (ГОСТ 9012-59), Виккерса (ГОСТ 2999-75) и метод микротвердости
(ГОСТ 9012-76) (см. лабораторную работу № 1).

Испытания на усталость

Усталостью называется разрушение металлов под действием многократного приложения переменных и особенно знакопеременных напряжений. Она наблюдается, например, у пружин, валов, передающих крутящий момент, деталей кулачковых и других механизмов, работающих в режимах «нагружение-разгружение», «растяжение-сжатие» и т.п.

Характерная особенность усталостного разрушения всегда сЮстоит в том, что оно происходит без заметных внешних признаков пластической деформации. В усталостном изломе, как правило, наблюдаются две характерные зоны. Первая зона, имеющая гладкую поверхность, образуется в результате возникновения и постепенного развития усталостной трещины. Вторая зона – зона окончательного излома оставшейся части сечения изделия.

Образование усталостной трещины связано с реальным строением металлов – наличием различно ориентированных зерен и блоков, неметаллических включений, микропор, дислокаций и других дефектов кристаллической решетки. В этих условиях значение предела упругости, фактические напряжения в металле распределяются крайне неравномерно.

Характеристикой сопротивления усталости является предел выносливости – наибольшее напряжение, которое выдерживает материал без разрушения при заданном числе циклов нагружения N.

Для стали предел выносливости обычно определяют на базе N = 10⁷, для цветных металлов на базе N = 10⁸ циклов нагружения. Наиболее часто предел выносливости определяется при испытании образца на изгиб с вращением со знакопеременным симметричным циклом напряжений. Испытание производится на серии образцов с определением разрушающего напряжения цикла и соответствующего ему числа циклов нагружения. По полученным данным строится кривая, на которой определяется выносливость на базе заданного числа циклов нагружения (см. рис. 1.2,в).

Предел выносливости, определяемый в стандартных условиях, например, для стали при N = 10⁷, обозначают s_-1, МПа (кгс/мм²). При определении ограниченной усталостной прочности в обозначении указывается база испытания, например, N = 10⁵ и т.д.

Физические методы

При изучении свойств материалов используют самые разнообразные физические методы. Ниже приводится краткое описание только небольшой их части.

Термический анализ

Данный метод основан на том, что фазовые превращения в сплавах, как например: появление твердой фазы в начале кристаллизации (или плавление при нагревании), переход металла в твердом состоянии из одной формы кристаллического строения в другую, растворение или выведение избыточной фазы и так далее, сопровождается тепловым эффектом. В соответствии с этим на кривых измерений, построенных в координатных осях температура-время, при температурах фазовых превращений наблюдаются точки перегиба или температурные остановки. (Перегибы на кривой нагрева или охлаждения наблюдаются в том случае, если превращение происходит в интервале температур.) Температуры, соответствующие фазовым превращениям, называются критическими точками.

Термический анализ – основной экспериментальный метод построения диаграмм состояния сплавов.

Дилатометрический метод

При нагреве металлов и сплавов происходит изменение объема и линейных размеров тела, тепловое расширение. Если эти изменения обусловлены только увеличением энергии колебаний атомов за счет повышения температуры, то при возвращении температуры к прежнему уровню восстанавливаются и исходные размеры тела.

Если же в теле при нагреве (или охлаждении) происходят фазовые превращения, то изменения размеров могут быть необратимыми.

Изменения размеров тел, связанные с нагревом и охлаждением, изучают на специальных приборах – дилатометрах.

Дилатометрический метод позволяет определить критические точки металлов и сплавов, изучать процессы распада твердых растворов, дает возможность установить температурные интервалы существования упрочняющих фаз и т.п. Достоинством этих приборов является их высокая чувствительность и независимость показаний от скорости изменения температуры.